JPH0443661A - 半導体素子構成材料の評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［慨要］ 半導体素子構成材料を非破壊で評価する半導体の評価方
法に関し、 ラマン散乱法を用いて半導体素子を構成する多結晶材料
の結晶粒径を非破壊で測定でき、さらに必要によりその
方位を測定できる方法を提供することを目的とし、 半導体素子を構成する多結晶材料の表面を第１のビーム
径を有するレーザービームで走査し、ラマン散乱ピーク
の強度が前記走査の方向で変化する第１の強度変化を求
め、第１のビーム径より小さい第２のビーム径を有する
レーザービームによる走査を行ってラマン散乱ピークの
強度が前記走査方向で変化する第２の強度変化を求め、
第１の強度変化と第２の強度変化を比較し、ラマン分光
法による測定精度以上の強度変化があった時に、結晶粒
径が第１のビーム径より小でかつ第２のビーム径より大
であると確定するように構成する。

［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体素子構成材料を非破壊で評価する半導
体の評価方法に関する。

近年の半導体の高集積化に伴い、信頬性の高い半導体材
料が求められている。例えば、基板上に堆積したポリシ
リコン、アルミニウム、シリサイドなどの材料からなる
膜の結晶性は、半導体素子の移動度などの電気的特性に
大きく影響を及ぼすため、基板上で膜は同一の面方位で
ありかつ均一な結晶粒径であることが要求されている。

理想的には、絶縁基板上の膜が単結晶であるのがよいが
、実際の膜は基板上で多結晶であるため各結晶粒の方位
のずれや粒径の差が生じている。このため、その結晶性
を評価する必要がある。

〔従来の技術〕

従来の結晶性評価方法としては、エツチング法やＸ線回
折法がある。前者はエツチング液に浸漬することで、エ
ツチング速度の結晶面依存性を利用し、表面凹凸を形成
していた。エツチング液によって、欠陥の種類や面方位
が異なるので、適切なエツチング液を選択することで結
晶粒径や欠陥密度の情報を得ていた。又、Ｘ線回折法は
、結晶性を評価する方法としては古くから用いられてい
るもので、試料からのＸ線の回折角度によって、置方イ
☆を知ることができる。

近年ラマン散乱による半導体材料の評価が行われるよう
になった（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｗｏｒｌｄ、
　１９８９゜８、　ｐ８９〜９６参照）。光と物質の相
互作用によって物質の励起状態が作りだされ、この励起
エネルギに相当する分だけ光のエネルギが変化し、入射
光と散乱光の波長の差が数ｃｍ−’以上の場合をラマン
散乱ど０平ぶ。

物質の励起状態として結晶格子の振動（フォノン）を考
えると、その振動数は原子間の結合力の平方根に比例し
、結合力は原子間結合距離に比例する。この性質を利用
して結晶欠陥による結晶の周期性の乱れなどが評価され
ることが提案されている。また、フォノンは結晶中を伝
搬する波であるので、結晶の周期や対称性を反映する性
質を利用して人工超格子の周期や積層構造の評価が行わ
れている。

さらに走査型偏光ラマン顕微装置を用い、ラマン敗乱強
度が入射、散乱光の偏光ベクトルの向きに依存して結晶
の方位を決定する性質を利用して、レーザーアニールさ
れたシリコン薄膜の結晶方位の測定が行われている（前
掲Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒＷｏｒｌｄ　）。この場
合の方位測定はラマン敢乱強度は入りｊ光、散乱光の偏
光方向と結晶軸との相対関係によって著しく変化するこ
とを利用している。

第４図（Ａ）、（Ｂ）、（ｃ）に示すダイアモンド型単
結晶に対する後方散乱配置でのラマン敗乱強度に例をと
って方位測定法の原理を説明する。

なお、後方散乱配貢とは大１１１光の入ｑ＝を側と散乱
光の出射光側を試料に対して同じ側にする配百方法であ
る。図中横軸は試！４の回転角度を示し、縦軸はラマン
敗乱強度（任意単位）を示す。また実線と点線は大ｑ寸
光又は出射光の偏光方向の角度を９０°ずらしているこ
とを意味している。

（１１１）面は回転角度に関係なくラマンビーク強度が
一定しているので、このような強度分布が得られた時は
被測定材料の方位は（１１１）面方位であると定められ
る（第４図（Ｃ）？照）。

（１００）面は実線又は点線の１回の測定では（１１０
）面の点線と区別が付かないので、出射された光の偏光
方向を９０°角度をずらして測定を行い、第４図（Ａ）
の二つの曲線が得られると、（１００）面方位を定める
ことができる。同様に（１１０）面は１回の測定で実線
が得られると、（１１０）面であると定められるが、点
線が得られた場合は更に測定を行い実線と点線の両方か
ら（１１０）面であると定めることができる（第４図（
Ｂ）参照）。

以上のような原理を応用してレーザーアニールをしたポ
リシリコンの方位を測定し、また金属顕微鏡で測定した
グレインバウンダリ検出とを合わせてレーザーアニール
の効果が評価されている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の結晶粒径測定法のエツチング法は破壊検査法であ
り、エツチング液に浸漬した試料は結晶粒界が優先的に
侵されるので、その上に半導体素子構成材料を堆積する
ことはできない。

又、Ｘ線回折法は用いるビーム径が太きく（〉数１００
μｍ）、結晶面方位に関する平均的情報しか得られない
。

従って、結晶性を評価するため、結晶粒の半導体素子の
大きさに対応する小面積の膜中の結晶粒の大きさやその
成長方向を、非破壊で評価することができなかった。

本発明は、ラマン散乱法を用いて半導体素子を構成する
多結晶材料の結晶粒径を非破壊で測定でき、さらに必要
によりその方位も測定できる方法を提供することを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は半導体素子を構成する多結晶材料の表面を第１
のビーム径を有するレーザービームで走査し、ラマン散
乱ピークの強度が前記走査の方向で変化する第１の強度
変化を求め、第１のビーム径より小さい第２のビーム径
を有するレーザービームによる走査を行ってラマン散乱
ピークの強度が前記走査方向で変化する第２の強度変化
を求め、第１の強度変化と第２の強度変化を比較し、ラ
マン分光法による測定精度以上の強度変化があった時に
、結晶粒径が第１のビーム径より小でかつ第２のビーム
径より大であると確定することを特徴とする半導体素子
構成材料の評価方法である。以下、本発明の詳細な説明
する。

第１．２図は、本発明の原理図である。第１図（Ａ）、
（Ｂ）は、顕微鏡の対物レンズ倍率を変えたときの試料
上に集光されたレーザ光１の径を表している。例えば、
第１図（Ａ）は対物レンズ２の倍率が２０倍の場合試料
３上のビームスポット４５ｕｍ、第１図（Ｂ）は対物レ
ンズ２の倍率を１００倍にすると試料３上のビーム径が
１μｍ程度になる。

第２因は、結晶粒の大きさが異なる試料を回転させて照
射した場合に得られるラマン散乱のビーク強度を縦軸に
、走査距離または回転角度を横軸にとり表したものであ
り、同図（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれスポットビーム径が
大きい場合と小さい場合を示す。結晶粒５がビームスポ
ット４の径より小さい第２図（Ａ）の場合はそれぞれの
結晶粒の結晶面方位によるラマンビーク強度依存性が、
ビーム径が大きいため平均化され、ピーク強度の変化は
小さい。また、試料からの出射光の偏光角度を９０度変
えて測定を行っても同様のう７ンビ一ク強度変化が得ら
れる。

第２図（Ｂ）は、結晶粒５とビームスポットの径がほぼ
同じかあるいはビームスポットの径つ＜結晶粒５より小
さい場合である。この場合は一つ一つの結晶の面方位が
ラマンビーク強度に影響するため、結晶内の照＃１場所
によるピーク強度の変動が大きい。理論的には、ビーム
スポットの直径が結晶粒径に対して非常に小さいと、１
＠の結晶粒内のラマンビークの強度は一定になり、多数
の結晶粒に！ＩｒＩＪをするとラマンビークの強度が階
段状に変化することが考えられるが、通常の膜製法であ
るＣＶＤ、スパッタリングなどにより作られる結晶粒径
は数ミクロンでありまたスポットビームの最小直径は現
在の技術では１ミクロン弱であるので、ラマンビークの
強度は第２図（Ｂ）に示すような鋭い変化を示す。

旦第２図（Ｂ）のようなラマンビーク強度の分布を得、
次に試料からの出射光の偏光角度を９０度変λて同じ照
射場所のラマンビーク強度を測定すると、第２図（Ｂ）
とは別の分布を得ることができる。この２回の測定によ
り得られたデータに合うように非線形最小二乗法により
個々の粒子の方位を測定することができる。換言すると
、このように個々の結晶粒の方位が決定できる時はスポ
ットビームの径が結晶粒の径より小さ（なっていること
になる。

以−ト説明したように、ビーム径を結晶粒径と関連させ
て変えることによって、試料の結晶方位と結晶粒径を評
価することができることになる。

レーザーアニールなどにより結晶粒が例えば数１０μｍ
と太き（なった場合のラマンビーク強度変化の例を第３
　（Ａ）、（Ｂ）図に示す。ビームスポット４の径が結
晶粒径より小さい時、一つの結晶粒内ではその強度が一
定となり、他の結晶粒とはその弾度レベルが異なる（第
３図（Ｂ）参照）、この異なるレベルは結晶方位の差異
を反映しており、各結晶の方位は測定側の偏光方向を９
０度回転させて同様にラマンビーク強度の測定を行うこ
とにより求めることができる。また、本例では数１０μ
ｍの大きいビーム径により照射を行い第３図（Ａ）のラ
マンビーク強度を得、第３図（Ａ）、（Ｂ）の対比をす
ることにより結晶粒径を知ることができる。

請求項１の方法は上記強度レベルの相違を利用して結晶
粒径を評価するものであって、粒界が強く関連する配線
材料のマイグレーション、ＡρとＳｔの粒界拡散による
コンタクト不良、ポリＳｉの結晶粒微細化による移動度
低下、リーク電流低下などを抑制するために結晶粒径の
値を製造プロセスに反映することを特徴する請求項ｌ記
載の方法では対象物の結晶粒は斉粒（粒径のそろった粒
）であると正確なすなわち狭い範囲の結晶粒径が分かる
。一方、粗粒グループと微粒グループの二つに分かれた
混粒組織の対象物では使用するビーム径が結晶粒より小
さい領域ではラマンビーク強度の変化は小さ（、大きい
領域では粒径ごとの変化が著しいので測定対象物の面内
での結晶粒のばらつきを知ることができる。また、粗粒
が数個まとまっておりかつ微粒も数個まとまっていると
きは各グループの粒径を評価することができる。

請求項１記載の方法では個々の結晶粒の方位の測定は必
須ではなく、ラマンビーク強度変化が測定誤差以上の変
化があったことを検出して結晶粒系を求めるものである
。このように結晶方位を求めない方法は予め結晶方位が
分かつている材料について適用することが好ましい。

請求項２の発明は粒径の確定後に方位を求める方法で有
り、Ｘ線回折のようにマクロの方位を求めるのではなく
、個々の結晶粒の方位を求める方法である。

実際の半導体素子構成多結晶材料は（１１０）（１１１
１，（１００＋などの単純な面より構成されることは少
なく、単純な次数面とより高次数の面から構成されるか
あるいは高次数面だけから構成されることが多い。この
場合は個々の結晶粒の方位を決定することにより、ビー
ムスポットが確実に結晶粒より小さいことを確定できる
ので、請求項３記載の発明を実施することが好ましい。

請求項４の方法は製造工程の途中で結晶性の検査を行っ
て、例えば余りに結晶粒径が小さい材料、あるいは粒界
を介して接する結晶粒の方位が余りに違いすぎる材料に
ついては、不合格と判定して、後工程の処理を行わない
ようにする高品質デバイスの製造法である。この場合、
ウェーハに多数配列されたチップについて全数検査を行
って個々のチップを良品と不良品に分けることができる
。

１作用） 多結晶材料を測定する光７系ではラマン分光装置におけ
る入射又は反射光の偏光方向を変えることによって照射
位置を変化させずにラマンビーク強度の実験値を求める
ことができる。これを計算値と比較することによってそ
の個々の結晶粒の面方位を決定することができる（第１
〜３図（Ｂ）の場合）。一方、第１〜３図（Ａ）の場合
は、光学系を同様に回転させても各方位の強度が平均さ
れた値となり、方位を求めることはできない。

したがって、照射するレーザビーム径を変えることによ
り得られるラマンビーク強度変化の程度により結晶粒径
が未知の材料の粒径な知ることができる。このレーザー
ビームの径は顕微鏡の対物レンズの倍率が１００倍のと
きは〜１１１ｍ、ついで５０倍の時〜２μｍとなる。こ
れまでに半導体素子に用いられてきたポリシリコン粒径
は非常に小さいが、後述の低温で堆積したポリシリコン
をアニールしたものは、結晶化した結果μｍオーダーの
結晶粒が得られる。このような材料径に対応する第１の
ビーム径により求められるラマンビーク強度自体は結晶
方位を全く示さないが、第２のビーム径で求められるラ
マンビーク強度変化との対比により結晶粒径決定のため
に使用される。

本発明では第１のビーム径より小さい第２のビーム径で
ラマンビーク強度を求めると、第１図（Ｂ）、第２図（
Ｂ）の状態となる。したがって、結晶粒径は第１のビー
ムと第２のビーム径の中間にあることが把握できる。こ
ねらのビーム径の中間ビーム径により同様の測定を行う
ことにより、さらに結晶粒径がより狭い範囲にあること
が把握できる。

対物レンズの倍率については、一般に入手可能な最高倍
率は１００倍で、このとき得られる集光結晶粒径を評価
し、次にその方位を測定し、成長条件と方位の関係など
調査することができる。

また方位を測定する場合は例えば第３図（Ａ）において
結晶５ａは（１００）、３０°回転、結晶５ｂは（９０
０）のように各結晶粒の方位を求めることができる。さ
らに回転角度の僅かな相違により結晶粒界を生じている
場合についても各結晶について回転角度を求めることが
できる。本発明方法は非破壊法であるから、全チップに
ついて全数検査を行うことができる。

以下、実施例によりさらに詳しく本発明を説明する。

〔実施例〕

第５図はラマン分光装置の構成図である。光源１０とし
てはアルゴンレーザ　（λ＝５１４．５ｎｍ）を用いる
。レーザ光は直線偏光しており、フィルター１１を通し
て倍波などの不要成分を除（。顕微鏡１２の鏡筒に入射
されたのち、ハーフミラ−１３で試料３に垂直にさせる
。前述のように対物レンズ２によってレーザ光は集光さ
れる。試料３かも放出されたラマン敗乱光は、対物レン
ズ２を通り、ハーフミラ−１４によって出射する。この
光の中には入射さねたレーザの波長と同じレイリー光が
含まれているので、このうちラマン光のみを取り出すた
めグラントムソンプリズム１５を用いる。これによって
得られたラマン光は、その波長成分を分離するために、
モノクロメータ）６によって分光される、最後に各波長
成分の強度を調べるためにフォトマル２０に入射される
。１８はレーザー光が試料３へのどこに照射されている
か目で確認するための接眼レンズ部のミラーである。

この装置に対し、試料３はパルスモータ−駆動によるＸ
−Ｙステージ１７上に置かれ、その移動はμｍ９下のピ
ッチで移動される。

Ｘ−Ｙステージ１７を用いて試料上を直線的に走査すれ
ば、試料３を構成している結晶粒の太きさを見積もるこ
とができるが、試料面を二次元的に走査することによっ
て、結晶粒のそれぞれの形を見積もることも可能である
。

具体的ｒ（試料としては、シリコン基板上に熱酸化膜を
６００ｎｍ形成し、その上に堆積温度４５０℃で厚さ４
００ｎｍでポリシリコンを堆積する。これを６５０℃、
３０分アニールを行ったものを用いた。この結晶粒の大
きさを、レーザービーム径を１μｍ（第２のビーム径ン
と２μｍ（第１のビーム径）で評価すると、それぞれ第
２図（Ｂ）、第２図（Ａ）のような結果が得られた。こ
の試料をライトエツチング液でエツチングしてみると結
晶粒の大きさは２１１ｍ弱、１μｍ強の間に分布してい
Ｉこ。

［発明の効果１ 以上説明したように、本発明によれば半導体膜中の結晶
粒の大きさを非破壊でかつ大気中で短時間に測定するこ
とができるため、製造工程中でその結晶性を評価したの
ち、再度製造ラインに戻し、所望の結晶性を有するウェ
ーハのみに後工程の処理を施すインライン評価を行うこ
とができる。このため、半導体装置の性能向上に寄与す
るところが大きい。

さらに、本発明では多結晶材料の粒径とともに個々の結
晶の方位を測定することができるので、測定結果とプロ
セス条件の関連を検討し、方位差が少ない単結晶に近い
材料を作製するために本発明法は有意義である。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、第１図（Ｂ）はそれぞれ第１のビーム径
、第２のビーム径のビームを対象物に当てラマン敗乱光
を放出させる図、 第２図（Ａ）、第２図（Ｂ）はそれぞれ第１のビーム径
、第２のビーム径でラマン敗乱光を放出させた場合のラ
マン散乱ビーク強度の変化を示す図、 第３図（Ａ）、第３図（Ｂ）は第２図より大きい結晶粒
についての第２図（Ａ）、第２図（Ｂ）と同様の図、 第４図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ（１００）、
　（１１０）、（１１１１面から放出されるラマン散乱
ピークの強度を示す図、 第５図はラマン分光装置の図である。 １−レーザ光、２一対物レンズ、３−試料、５−結晶粒
、ｌ〇−光源、１１−フィルター１３−ハーフミラ− １）−下１′□大シ１−一一へ−Ｕ □ こ−ムス丁汁４ヘー−，０ ｒ−〜−−−４二−ムスｉ′ｉ１°７ト、杼晶［５ ＝２７ノアｒマ古Ｌゴ号ミＨθ）寞イヒ第３図（Ａ） フン１ノ歌古Ｌ’Ａ＃　支イし 第３　ｒＸＪ（Ｂ） 第 凶（Ａ） 第 区ＣＢ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体素子を構成する多結晶材料の一表面を第１の
   ビーム径を有するレーザービームで走査し、ラマン散乱
   ピークの強度が前記一表面で変化する第１の強度変化を
   求め、第１のビーム径より小さい第２のビーム径を有す
   るレーザービームによる走査を行ってラマン散乱ピーク
   の強度が前記表面で変化する第２の強度変化を求め、第
   １の強度変化と第２の強度変化を比較し、ラマン分光法
   による測定精度以上の差があったときに、前記多結晶材
   料の結晶粒径が第１のビーム径より小でかつ第２のビー
   ム径より大であると確定することを特徴とする半導体素
   子構成材料の評価方法。 ２、結晶粒径の確定後に第１のビーム径とほぼ等しいか
   あるいは第１のビーム径より小さい第３のビーム径を有
   するレーザービームにより多結晶材料の結晶の方位を測
   定することを特徴とする請求項１記載の半導体素子構成
   材料の評価方法。 ３、レーザービームを多結晶材料に対して相対的に回転
   させてラマン散乱ピークを求め、また第２のビーム径に
   よる走査を異なる偏光角度で２回行って、ラマン散乱ピ
   ークの強度より各結晶粒の方位を測定し、粒径と結晶粒
   の方位を同時に求めることを特徴とする請求項１記載の
   半導体素子構成材料の評価方法。 ４、半導体素子の製造工程の途中において、請求項１に
   よる対象物の結晶粒径の確定、または請求項２または３
   による結晶粒径の確定ならびに方位の測定を行い、所望
   の結晶粒径または方位が得られた対象物について後工程
   の処理を施すことを特徴とする半導体素子構成材料の評
   価方法。 ５、前記ラマン分光法において、倍率が５０倍以上の対
   物レンズを備えた顕微鏡を使用することを特徴とする請
   求項１から４までの何れか１項記載の半導体素子構成材
   料の評価方法。